一种人工湿地-微生物燃料电池农村生活污水处理装置及其处理方法与流程

本发明属于水污染控制与水处理技术领域，具体涉及一种人工湿地-微生物燃料电池农村生活污水处理装置及其处理方法。

背景技术：

目前，我国农村广泛存在洗漱、厨房、洗衣等生活污水直接排放的现象。随意排放生活污水不仅会污染水体、破坏村庄环境，也会影响村民饮用水安全。以活性污泥为代表的传统集中污水处理设施相对完善和成熟，并具有显著的环境效益和社会效益，但是由于其能耗较大、运行管理费用较高、对操作人员的技术和管理水平要求也较高，并不适用于资金和技术比较缺乏的广大农村地区和经济落后地区的小城镇。因此，开发简单实用、经济高效的分散式污水处理方式对于解决农村生活污水处理问题具有十分重要的现实意义。

农村地区土地资源充足，以人工湿地、氧化塘、生物浮床等为代表的生态治理系统是较为适宜的农村污水处理技术。其中，人工湿地具有建设运行费用低、耗能少、运行维护方便、生态环境效益显著、可实现废水资源化等特点。但是由于长期处于淹水状态，传统人工湿地系统复氧能力较差，使得硝化反应成为限制湿地系统脱氮性能的关键因素，导致系统脱氮效率降低，仅为40％～55％。针对上述问题，可以采用组合人工湿地系统、人工曝气、控制湿地内水流流动方式或者间歇进水的方式来提高湿地内部的溶解氧含量，使人工湿地系统能够同时满足硝化反应的好氧条件和反硝化反应的缺氧/厌氧条件，进而提高其脱氮效率。自2010年以来，相继出现利用人工湿地-微生物燃料电池系统处理废水并产电的相关报道。微生物燃料电池利用微生物作为生物催化剂，将有机物将有机底物在阳极(厌氧环境)氧化生成co2、h⁺和e^-，h⁺通过质子交换膜(或无膜)转移至阴极(好氧环境)，e^-经外电路迁移至阴极后与最终电子受体(氧气、硝酸盐或硫酸盐等)及h⁺反应生成水，并最终转化为电能。与一般燃料电池相比，微生物燃料电池具有效率高、无污染、燃料来源广泛、操作条件温和、生物相容性高等特点。微生物燃料电池可通过促进阳极产电微生物降解有机物而提高人工湿地的有机物去除率，同时通过使硝酸盐在阴极协同作为电子受体而显著提高人工湿地的脱氮效率。

经对现有技术的文献检索发现，已有的人工湿地-微生物燃料电池耦合系统，如cn201510351628.0是一种强化人工湿地去除药物残留物并防止耐药菌扩散的装置，该装置包括芦苇塔、微生物燃料电池型人工湿地和电化学反应区，目的是提供一种利用根系分泌物与生物电化学的藕合作用促进人工湿地去除药物残留物并防止耐药菌扩散的方法，提高了对药物残留物的去除效率；cn201621282372.9公开了一种人工湿地燃料电池以及餐厨垃圾压缩水的净化系统，包括上流式厌氧反应床、厌氧一好氧协同处理装置和人工湿地燃料电池，该净化系统对餐厨垃圾压缩水具有较好的净化效果；cn201711384102.8提供了一种人工湿地与微生物燃料电池废水处理藕合装置用于处理养猪场生产废水，其排放废水能达到gb18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》；cn201610380134.x公开了一种潮汐流人工湿地藕合微生物燃料电池的污水处理系统及方法，该系统充分发挥人工湿地与微生物燃料电池协同作用，配合特定的潮汐流水流运行方式，实现了高效处理污水的目的，但是该系统间歇运行，处理水量不如连续运行系统，且操作运行较为复杂。

技术实现要素：

本发明的目的，是提供一种处理效率高、运行成本低、对负荷变化适应性强并且运行维护简单的农村生活污水处理装置及方法，具体为一种人工湿地-微生物燃料电池农村生活污水处理装置及其处理方法。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种人工湿地-微生物燃料电池农村生活污水处理装置，包括格栅、调节池、水泵、进水管、集水管、出水管、回流管、出水池、人工湿地和微生物燃料电池，其特征在于，所述格栅1位于调节池2进水前端，水泵3的进水端连接有调节池2，水泵3的出水端连接有进水管4，进水管4与人工湿地5相连接，微生物燃料电池6置于人工湿地5内部，人工湿地5的集水管7通向出水池8，出水池8底部连接有出水管9，出水管9侧端接有出水回流管10；

所述人工湿地5为上行流垂直潜流人工湿地，进水管4位于人工湿地底部，呈“丰”字型，包括主干管11和主干管两侧进水支管12，进水支管12管壁下方设置有两排布水孔13，布水孔与进水支管的截面圆心水平线成45°交错排列，每排每两个布水孔的中心距由靠近主干管一侧向远端依次减小，人工湿地池体外进水管主干管的侧端接有出水回流管10；人工湿地5内部填充有填料14，填料14的上面种植有植物15；人工湿地5靠近出水池8一侧的池壁设置有横向集水管7，集水管距湿地填料表面的垂直距离为0.10-0.15m，集水管管壁下方设置有两排集水孔16，集水孔与集水管的截面圆心水平线成45°交错排列；

所述微生物燃料电池6为生物阴极型单室微生物燃料电池，其阳极17与阴极18均为多电极，多个阳极电极均匀地分布于湿地填料14内部、多个阴极电极均匀地分布于湿地填料14表层，阳极与阴极之间以连接导线19相连并接有外接电阻20，形成闭合回路。

所述填料14的底部为承托层，承托层为粒径2-4cm的石灰石，填装高度为10-15cm；承托层的上面为主填料层，主填料层为火山岩、沸石、陶粒、高炉矿渣和活性炭中的一种或几种的组合，粒径为1-3cm，填充高度为25-30cm；主填料层火山岩上面设置有粒径为0.5-1cm的小粒径石灰石，填装高度为2.5-5cm；小粒径石灰石上面设置有粒径为0.1-0.3cm的河沙，填装高度为2.5-5cm，河沙层混有同等粒径的石墨颗粒或火山岩或陶粒或高炉矿渣或活性炭且其体积比≥10％。

所述进水支管12管壁下方布水孔13孔口直径为5-10mm，为使布水更加均匀，每排每两个布水孔的中心距由靠近主干管一侧向远端依次减小，具体为前1/3段、中间1/3段、后1/3段的每两个布水孔的中心距分别为20mm、15mm、10mm。

所述微生物燃料电池6的阳极17为碳纤维刷、石墨棒、不锈钢材质中的任一种，阴极18为石墨板、碳毡、不锈钢材质、碳纤维刷中的任一种；在0.70-1.0m的正方形距离范围内，多个阳极电极分别均匀地插在填料的四角和中间位置，阳极电极底部距离填料最底层5-10cm、上部距离填料表层5-10cm，填料四角的阳极电极通过钛丝分别与中间位置的阳极电极相连构成一个整体阳极，在对应阳极的距离范围内，多个阴极电极均匀地置于填料表层，各阴极电极通过钛丝相连而成为一个整体阴极；每组多电极阴极、阳极之间间隔0.50m；导线与电极连接处进行绝缘密封处理。

所述集水管7的集水孔16孔口直径为5-10mm，每排每两个集水孔的中心距为20-30mm。

所述植物15为挺水植物，可选芦苇、香蒲、鸢尾、美人蕉、菖蒲、菱白、水葱、灯芯草、风车草、千屈菜中的任一种或几种。

该人工湿地-微生物燃料电池生活农村生活污水处理装置的处理污水方法，步骤如下：

(1)生活污水首先经过格栅1，截留过滤大颗粒悬浮物质；

(2)生活污水经由格栅1后进入调节池2，调节水质与水量；

(3)经过调节池2调节后的出水，通过水泵3自底部进水管4进入人工湿地-微生物燃料电池装置；污水自下而上流经各填料14层和植物15区，在人工湿地5和微生物燃料电池6的双重作用下得到处理，经过处理后的水经由集水孔16进入集水管7进而进入出水池8，通过控制集水管阀门可以控制湿地填料表层自由水面的水位高低；出水池8中的出水其50％经由出水管9排放，另50％出水经由回流管10回流入底部进水管4进而流入装置内部，即系统出水回流比为50％；污水在人工湿地-微生物燃料电池装置中的水力停留时间为1.5～2.0d；人工湿地-微生物燃料电池装置阴极区域溶解氧浓度为1.0～1.5mg/l；控制装置输出电流i＞0.96ma。

所述水力停留时间1.5～2.0d和系统出水回流比50％，通过转子流量计21控制进水流速而实现；所述装置阴极区域溶解氧浓度1.0～1.5mg/l，通过转子流量计22控制太阳能曝气机23的空气流量而实现；所述装置输出电流i＞0.96ma，通过改变装置外接电阻20值而实现。

本发明与现有技术相比较，具有如下优点：

1.与传统人工湿地相比，人工湿地-微生物燃料电池耦合装置具有更好的污水处理性能，尤其是脱氮性能。

2.与已有其它微生物燃料电池型人工湿地相比，本发明中前置调节池可使进水稳定、均匀，提高了系统对水质和水力负荷变化的适应性。

3.与已有其它微生物燃料电池型人工湿地相比，本发明中装置出水回流、系统填料表面～2.5-5cm处(阴极区域)混有具有发达孔隙结构的填料，可进一步增强人工湿地-微生物燃料电池耦合装置的污水处理性能。

4.与已有其它微生物燃料电池型人工湿地相比，本发明中装置通过改变外接电阻值而控制其输出电流i＞0.96ma，同时采用多电极阳极与阴极，可有效保证微生物燃料电池对人工湿地有机物去除和脱氮性能的促进作用。

5.与已有其它微生物燃料电池型人工湿地相比，本发明中装置阴极区域使用太阳能曝气机，可有效降低装置运行能耗。

附图说明

图1为本发明的人工湿地-微生物燃料电池农村生活污水处理装置的结构示意图；

图2为本发明的人工湿地-微生物燃料电池装置进水管平面结构图；

图3为本发明的人工湿地-微生物燃料电池装置集水管平面结构图；

图4为图2、图3的a-a剖视图。

本发明附图标记如下：

1——格栅2——调节池

3——水泵4——进水管

5——人工湿地6——微生物燃料电池

7——集水管8——出水池

9——出水管10——回流管

11——主干管12——进水支管

13——布水孔14——填料

15——植物16——集水孔

17——阳极18——阴极

19——连接导线20——外接电阻

21——液体流量计22——转子流量计

23——太阳能曝气机

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述具体实施例。

具体实施例以北方某农村生活污水为处理对象，实施本发明。

参见图1，该人工湿地-微生物燃料电池农村生活污水处理装置，格栅1位于调节池2进水前端，水泵3的进水端连接有调节池2，水泵3的出水端连接有进水管4，进水管4与人工湿地5相连接，微生物燃料电池6置于人工湿地5内部，人工湿地5的集水管7通向出水池8，出水池8底部连接有出水管9，出水管9侧端接有出水回流管10；

所述人工湿地5为上行流垂直潜流人工湿地，长×宽×高为10.0m×3.0m×0.80m，其内部填充有填料14，底部为承托层，承托层为粒径2-4cm的石灰石，填装高度为15cm；承托层的上面为主填料层，主填料层为火山岩，粒径为1-3cm，填充高度为30cm；主填料层火山岩上面设置有粒径为0.5-1cm的小粒径石灰石，填装高度为5cm；小粒径石灰石上面设置有粒径为0.1-0.3cm的河沙，填装高度为5cm，河沙层混有同等粒径的石墨颗粒且其体积比≥10％；所述填料14的上面种植有植物15美人蕉；

参见图2和图4，所述进水管4位于人工湿地底部，呈“丰”字型，包括主干管11和主干管两侧进水支管12，主干管11位于池体中间、长度为10.0m，进水支管12长度为1.4m，相邻两根进水支管的中心距为0.20m，两端进水支管的中心距离池体0.05m，进水支管12管壁下方设置有两排布水孔13，布水孔与进水支管的截面圆心水平线成45°交错排列，孔口直径为10mm，每排每两个布水孔的中心距由靠近主干管一侧向远端依次减小，具体为前1/3段、中间1/3段、后1/3段的每两个布水孔的中心距分别为20mm、15mm、10mm；人工湿地池体外进水管主干管的侧端接有出水回流管10；

参见图1、图3和图4，所述集水管7横向设置于人工湿地5靠近出水池8一侧的池壁，集水管距湿地填料表面的垂直距离为0.15m，集水管管壁下方设置有两排集水孔16，集水孔与集水管的截面圆心水平线成45°交错排列，孔口直径为10mm，每排每两个集水孔的中心距为30mm，集水管两端密封，长3.0m；所述出水池8长×宽×高为1.0m×3.0m×0.80m；

所述进水管4、集水管7、出水管9和回流管10均采用硬聚氯乙烯(upvc)管材，管径均为de100＝100mm×2.5mm(外径×壁厚)

所述微生物燃料电池6为生物阴极型单室微生物燃料电池，其阳极17与阴极18分别为碳纤维刷和石墨板；碳纤维刷整体长度为0.70m，其中含有碳纤维束部分的长度为0.40m、碳纤维束直径为0.10m，在0.70m的正方形距离范围内，5把碳纤维刷分别均匀地插在填料的四角和中间位置，碳纤维刷底部距离填料最底层距离为5cm、碳纤维束部分顶部距离填料表层10cm，填料四角的碳纤维刷通过钛丝分别与中间位置的碳纤维刷相连构成一个整体阳极；石墨板长×宽×厚为100mm×100mm×8mm，在对应阳极的0.70m的正方形距离范围内，5块石墨板均匀地置于填料表层，石墨板中央穿孔，各石墨板间通过由中央孔穿出的钛丝相连而成为一个整体阴极；每组多电极阴极、阳极之间间隔0.50m，共设有16组阴极、电极；阳极17与阴极18之间以连接导线19相连并接有外接电阻20，形成闭合回路；所述外接电阻20为zx-21五位可变直流电阻箱，阻值r可以直接读出；导线与电极连接处进行绝缘密封处理。

本发明的人工湿地-微生物燃料电池农村生活污水处理装置的处理方法，步骤如下：

(1)生活污水首先经过格栅1，截留过滤大颗粒悬浮物质；

(2)生活污水经由格栅1后进入调节池2，调节水质与水量；

(3)经过调节池2调节后的出水，通过水泵3自底部进水管4进入人工湿地-微生物燃料电池装置；污水自下而上流经各填料14层和植物15区，在人工湿地5和微生物燃料电池6的双重作用下得到处理，微生物燃料电池可通过促进阳极产电微生物降解有机物而提高人工湿地的有机物去除率，同时通过使硝酸盐在阴极协同作为电子受体而显著提高人工湿地的脱氮效率，经过处理后的水经由集水孔16进入集水管7进而进入出水池8，通过控制集水管阀门可以控制湿地填料表层自由水面的水位高低；出水池8中的出水其50％经由出水管9排放，另50％出水经由回流管10回流入底部进水管4进而流入装置内部，即系统出水回流比为50％；污水在人工湿地-微生物燃料电池装置中的水力停留时间为1.5d；人工湿地-微生物燃料电池装置阴极区域溶解氧浓度为1.0～1.5mg/l；控制装置输出电流i＞0.96ma；

所述水力停留时间1.5d和系统出水回流比50％，通过转子流量计21控制进水流速而实现；所述装置阴极区域溶解氧浓度1.0～1.5mg/l，通过转子流量计22控制太阳能曝气机23的空气流量而实现；所述装置输出电流i＞0.96ma，通过改变装置外接电阻20值而实现。

该实施例的处理水量为平均5.2m³/d，经过调节池处理后的人工湿地-微生物燃料电池装置进水水质平均为cod200mg/l、nh3-n25mg/l、tn40mg/l、tp5mg/l。通过实际运行，经装置处理后的水体中cod、nh3-n和tn出水浓度分别为20～27mg/l、2.4～3.3mg/l、4.4～5.7mg/l，均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》1a标准(cod50mg/l、nh3-n5mg/l和tn15mg/l)，tp出水浓度为0.6～0.7mg/l，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》1b标准(tp1mg/l)，同时在表观上无漂浮物、无令人不愉快的嗅和味。说明了利用该装置处理农村生活污水是可行的。